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鋼結構防火措施選型及經濟性能分析

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鋼結構防火措施選型及經濟性能分析

發布日期:2018-06-21 作者: 點擊:

一、建筑鋼結構發展的新契機

建筑鋼結構自面世以來,因其相對于傳統建筑材料的諸多優點而被廣泛應用到建筑結構中。隨著我國鋼產量逐年增加并連續多年穩居世界第一,鋼結構在我國得到了快速發展。目前鋼結構主要應用于大跨度以及超高層等能充分顯示其優勢的結構體系中,而在其他類型建筑,如住宅、商業建筑中應用偏少。


2016年《政府工作報告》明確提出“積極推廣綠色建筑和建材,大力發展鋼結構和裝配式建筑,提高建筑工程標準和質量······”;北京市《關于加快發展裝配式建筑的實施意見》“鼓勵學校、醫院、體育館、商場、寫字樓等新建公共建筑優先采用鋼結構建筑,其中政府投資的單體地上建筑面積1萬平米(含)以上的新建公共建筑應采用鋼結構建筑”。鋼結構是綠色環保和最適合裝配的結構材料,在建筑工業化浪潮及鋼鐵行業“去庫存”的大環境下,如何沖破桎梏,發揮其優勢,造福社會,是擺在從業人員面前的一個課題。



二、鋼結構建筑的火災危險性

鋼結構在火災中的表現是由鋼材的物理性能決定的。根據研究,在200℃以下,其強度折減不多,甚至在某個區間還有一定程度的升高;在高于200℃的情況下其強度隨著火場溫度升高迅速下降,600~800℃時,幾乎徹底喪失承載能力。火場溫度一般均在800~1000℃以上,如下圖1所示,無防護的裸露鋼結構會在15min后失效。


鋼材的失效極易造成建筑物的倒塌,無防護或防護不到位的鋼結構建筑一旦發生火災往往造成特大惡性事故。1998年北京某家具城火災造成1.3萬平米鋼結構全部倒塌;2003年青島某食品加工廠火災,鋼屋架倒塌導致未能及時疏散的幾十名員工死亡;······因此,做好鋼結構防火保護工作,對于保障生命財產安全,杜絕惡性事故的發生具有十分重要的現實意義。


三、鋼結構防火保護

鋼結構防火是鋼結構設計時必須重點考慮的內容,如何做好建筑鋼結構的防火處理已經成為目前鋼結構業內主要的研究方向。常規建筑鋼結構一般根據防火規范的要求采取相應的防火措施進行防護,而對一些超出規范要求的特殊形式的建筑物如超大型商場、機場航站樓、文化娛樂項目等常采用性能化消防設計。


消防性能化采用可靠的分析工具和方法對建筑中的火災場景進行確定性和隨機性定量分析。根據性能化防火設計的結果,鋼結構的保護區域與傳統的設計具有很大的不同,結構構件可以降低防火等級甚至不需要防火保護。


鋼結構建筑的防火措施分為主動防火和被動防火。主動防火主要指結合火災探測而進行的主動滅火措施,改變火災現場的行為,如噴淋裝置和消防員的滅火行為等;被動防火主要指在結構設計和構造措施上采取合理措施,提高結構的抗火性能,并不改變火災火場。


2.1 主動防火措施

主動防火措施主要包括自動噴水、噴霧等自動滅火與抑制火災增長系統,廣義上還包括防火輔助和警報器具、快速疏散指示標志、消防員滅火行為等。根據相關資料,自動噴淋滅火系統的滅火成功率高達95%以上,特別對控制初期火災非常有效。


正因如此,部分國外防火規范允許布置主動防火系統時,可以弱化被動防火要求,從而在保證安全的情況下,降低鋼結構防火造價。這是一項在住宅特別是低、多層鋼結構住宅中可普及使用且具經濟性的消防設施。


2.2 被動防火措施

1)包敷法防火

包敷法主要是用固體耐火的材料將鋼結構整體徹底包起來。固體的耐火材料不但有不燃性,還有較大熱容量,將它用作耐火的保護層就能讓構件升溫減緩。目前,工程中一般多采用無機防火板,比如使用硅酸鈣板、石膏板、蛭石板等。此方法主要用于形狀規則的梁、柱等構件、對落灰潔凈度要求極高的制藥車間以及低、多層輕鋼結構房屋中。


2)噴涂法防火

所謂的噴涂法,就是在鋼結構的表面上涂一層防火的涂料,進而讓鋼結構上形成一層保護膜,利用材料本身的防火性或者發泡產生的致密絕熱、隔熱保護層,延緩鋼結構溫升時間,提高鋼結構構件的耐火極限。

在工程應用時,防護時間兩小時以上時,如高層建筑中的鋼柱,只能選用厚涂型,其它情況可以根據項目情況選擇厚、薄或者超薄型噴涂。由于組成材料的不同,薄涂型、超薄型防火涂料在火災下會分解出有毒有害氣體,對火場人員及消防員產生危害。因此,如無特殊要求,均建議選用厚涂型。


目前,防火涂料正朝著超薄型、高耐候性、高裝飾性和環保型的方向發展。2016年已有國外廠家生產出耐火極限為2.21小時,厚度以微米計的超薄型防火涂料。


3)屏蔽法防火

屏蔽法通常用于鋼屋蓋的防火,通過屋蓋下的耐火吊頂來延緩下部火災造成鋼屋蓋的升溫。屏蔽法造價高,占用較大的建筑空間,且由于接縫處竄火等問題,工程應用不多。


4)充水冷卻法防火

鋼結構的充水冷卻,就是往空心的封閉柱中充滿水,出現火災的時候,構件就會將從火中吸收來的熱量轉給柱中的水,從而使構件溫度保持到100℃左右。這是理論上最為理想的防火保護方法,但在實際中由于使用管結構較少,且循環系統造價高,須考慮防銹防凍等問題,因而在實際中應用很少。


5)耐火鋼

耐火鋼是通過在結構鋼中加入鉬等合金元素,從而使鋼材在規定的耐火時間內保持較高的強度。無涂覆防火層時能達到耐火等級4級梁的耐火極限,其它情況時需配合防火涂料等防火措施,但防火涂層厚度可大大減少,減少防火造價。國家大劇院即成功應用了武鋼生產的耐火鋼,既保證了防火安全,又實現了建筑師對美的追求。


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